Sensores de nível de interface água-óleo em fibra óptica baseados em grades de Bragg
| dc.contributor.advisor-co1 | Frizera Neto, Anselmo | |
| dc.contributor.advisor-co1ID | https://orcid.org/0000-0002-0687-3967 | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/8928890008799265 | |
| dc.contributor.advisor1 | Pontes, Maria José | |
| dc.contributor.advisor1ID | https://orcid.org/0000-0002-9009-2425 | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4148956242627659 | |
| dc.contributor.author | Ludke, Fabio Giesen | |
| dc.contributor.authorID | https://orcid.org/0000-0002-0769-5154 | |
| dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/3562454946265096 | |
| dc.contributor.referee1 | Prado, Adilson Ribeiro | |
| dc.contributor.referee1ID | https://orcid.org/0000-0001-8808-4488 | |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/3085491325255749 | |
| dc.contributor.referee2 | Leal Junior, Arnaldo Gomes | |
| dc.contributor.referee2ID | https://orcid.org/0000-0002-9075-0619 | |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/7246557168481527 | |
| dc.date.accessioned | 2024-09-18T22:29:40Z | |
| dc.date.available | 2024-09-18T22:29:40Z | |
| dc.date.issued | 2020-05-27 | |
| dc.description.abstract | This Master Thesis presents the study of fiber Bragg grating (FBG) sensors applied in the measurement of water and oil interface level. Using industrial rubber diaphragms, which has a fiber Bragg grating installed inside, it is possible to measure the level of interface water-oil. The measurement is performed by monitoring the pressure change on each diaphragm caused by the variation in the interface level. The FBG sensors are non-conductive, resistant to electromagnetic interference (EMI) and they are intrinsically safe to be installed in explosive environments. Techniques of FBG inscription known as phase mask and plane-by-plane have been used to manufacture the fiber sensors. Using a spectrometer, the coupled light propagating through the fiber sensor can be interrogated. The analyzes are performed searching for the central wavelength for each FBG used. The stress on the FBG causes a shift in the central wavelength proportional to the level of the interface between the different fluids, for example water and oil. Thus, as water and oil have different densities and depending on the amount of material that is inside the tank, the diaphragms with FBG undergoing higher or lower deformation and causing a proportional wavelength shift variation of the FBG peak. The main materials used in the production of the FBG sensors are silica optical fiber, thermoplastic polyurethane and nitrile rubber. Nitrile rubber corrosion resistant, including use in the oil industry. A methodology was developed for production of FBG sensors with diaphragms printed on the 3D printer and using the nitrile rubber vulcanization. The sensor developed through the vulcanization of nitrile diaphragms with FBG inside was produced using a press system with temperature control. The influence caused by the variation in the diaphragm thickness is observed in the tests with diaphragms produced on 3D printer. This variation doesn’t change the linearity of the system, but change its sensitivity. The measured sensitivities were 7.5 pm/kPa and 5.2 pm/kPa for the diaphragm of 1.2 mm and 2 mm, respectively. The operating range of this interface level sensor varies from 0 to 78 cm. The resolution of the system is approximately 0.01 cm. For interface levels ranging from 0 cm to 78 cm, the standard deviation varied from 0.13 to 0.28, respectively. The average differences calculated for interface levels varying between 0 cm and 78 cm, resulted in standard deviation ranging from 1.09 to 0.43, respectively. It was possible to identify the oil and water interface level in the tests with nitrile diaphragms. As a result, an equation was obtained, where it is possible to determine the interface level through the diaphragm deformation, showing this system has potentiallity to evolve to a product in the near future | |
| dc.description.resumo | Esta dissertação apresenta o estudo e aplicação de sensores baseados em grades de Bragg em fibra (FBG - Fiber Bragg Grating) na medição do nível de interface formada entre agua e óleo em um tanque. Através de diafragmas feitos de borracha industrial, que possuem um segmento de fibra optica com a grade de Bragg gravada, e possível realizar a medição de nível de interface devido a variação de pressão em cada diafragma ocasionada pela variação do nível de interface. Os sensores desse tipo não são condutores elétricos, são resistentes a interferência eletromagnética (EMI - Electromagnetic Interference) e não causam riscos em um ambiente explosivo, pois como propagam luz em seu interior, não causam explosão. As técnicas de gravação de grades de Bragg por Mascara de Fase e gravação direta foram utilizadas nos sensores. Com isso, utilizando um espectrômetro, pode-se analisar o espectro da luz acoplada nesse dispositivo. As análises são realizadas a partir do acompanhamento das frequências centrais para cada FBG utilizada que, com a deformação sofrida, provoca deslocamentos proporcionais ao nível da interface entre os fluidos distintos, por exemplo agua e óleo. Isso ocorre porque a agua e o óleo possuem densidades diferentes e dependendo do nível de cada fluido que está no tanque, os diafragmas que contém as FBG sofrerão menor ou maior deformação devido a variação de pressão hidrostática e provocarão a variação das frequências centrais das FBGs. Os principais materiais utilizados na produção dos sensores aqui estudados são a fibra optica de sílica, poliuretano termoplástico e a borracha nitrílica. A borracha nitrílica possui uma alta durabilidade ao petróleo e derivados. Desenvolveu-se a metodologia de produção dos sensores em grades de Bragg com diafragmas impressos em impressora 3D e produzidos através da vulcanização da borracha nitrílica. O sensor desenvolvido através da vulcanização de diafragmas de borracha nitrílica com FBG, foi produzido utilizando um sistema de prensa hidráulica com controle de temperatura. No caso dos testes com os diafragmas impressos em impressora 3D, observa-se a influência causada pela variação da espessura do diafragma. Essa variação não altera a linearidade do sistema, mas sua sensibilidade. Uma sensibilidade de 7,5pm / kPa e 5,2 pm / kPa para o diafragma de 1,2 mm e 2 mm, respectivamente, foi determinada experimentalmente. O intervalo de medição desse sensor de n´nível de interface varia de 0 a 78 cm. Nos testes com os diafragmas de borracha nitrílica, foi possível identificar o nível de interface entre agua e óleo. Como resultado, obteve-se uma equação onde e possível medir a interface do sistema de acordo com a variação de deformação dos diafragmas, mostrando que e possível utilizar esse sistema para futuramente produzir um produto. A resolução de sistema e de 2 casas decimais, aproximadamente 0,01 cm. Para níveis de interface variando entre 0 cm e 78 cm, o desvio padrão variou de 0,13 a 0,28, respectivamente. As diferenças medias calculadas para níveis de interface variando entre 0 cm e 78 cm, o desvio padrão variou de 1,09 a 0,43, respectivamente | |
| dc.format | Text | |
| dc.identifier.uri | http://repositorio.ufes.br/handle/10/17810 | |
| dc.language | por | |
| dc.publisher | Universidade Federal do Espírito Santo | |
| dc.publisher.country | BR | |
| dc.publisher.course | Mestrado em Engenharia Elétrica | |
| dc.publisher.department | Centro Tecnológico | |
| dc.publisher.initials | UFES | |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica | |
| dc.rights | Diafragma | |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Sensor | |
| dc.subject | Fibra Optica | |
| dc.subject | Redes de Bragg | |
| dc.subject | Diaphragm | |
| dc.subject | Optical fiber | |
| dc.subject | Fiber Bragg grating | |
| dc.subject.cnpq | Engenharia Elétrica | |
| dc.title | Sensores de nível de interface água-óleo em fibra óptica baseados em grades de Bragg | |
| dc.type | masterThesis | |
| foaf.mbox | ludke.fabio@gmail.com |
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